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文档简介
自考线性代数第六章实二次型第一页,共五十页,编辑于2023年,星期一§6.1
实二次型及其标准形第二页,共五十页,编辑于2023年,星期一对应投影变换例
2阶方阵对应以原点为中心逆时针旋转j
角的旋转变换例
2阶方阵第三页,共五十页,编辑于2023年,星期一解析几何中,二次曲线的一般形式ax2+bxy+cy2=0
通过选择适当的的旋转变换使得mx'2+ny'2=0.第四页,共五十页,编辑于2023年,星期一定义:含有n
个变量x1,x2,…,xn
的二次齐次函数称为二次型.第五页,共五十页,编辑于2023年,星期一令aij=aji,则2
aij
xixj=aij
xixj
+aji
xixj
,于是第六页,共五十页,编辑于2023年,星期一对称阵第七页,共五十页,编辑于2023年,星期一对称阵
A的秩也叫做二次型
f的秩.线性变换与矩阵之间存在着一一对应关系.对称阵的二次型二次型的矩阵第八页,共五十页,编辑于2023年,星期一对于二次型,寻找可逆的线性变换使二次型只含平方项,即f=k1
y12+k2
y22+…+kn
yn2
定义:只含平方项的二次型称为二次型的标准形(或法式).如果标准形的系数k1,k2,…,kn
只在−1,0,1三个数中取值,即 f=k1
y12+…+kp
yp2−kp+1
yp+12−…−kr
yr2
则上式称为二次型的规范形.说明:这里只讨论实二次型,所求线性变换也限于实数范围.简记为x=Cy,于是
f=xTAx=
(Cy)TA(Cy)=yT
(CTAC)y第九页,共五十页,编辑于2023年,星期一写出二次型
对应的对称矩阵A。解:可根据所给的二次型的各个系数直接写出对应的对称矩阵例1第十页,共五十页,编辑于2023年,星期一写出由对称矩阵
确定的二次型。解:可根据所给的对称矩阵直接写出对应的二次型例2第十一页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习109】三元二次型的矩阵为()。A. B.
C.D.A第十二页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习110】实对称矩阵所对应的二次型
______________________.第十三页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习111】二次型的矩阵是______________________。第十四页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习112】二次型的秩是______________________。2【解】
秩为2.
第十五页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习113】实对称矩阵所对应的二次型是________________________________.第十六页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习114】二次型的秩是().A.1 B.2 C.3 D.4C【解】
秩为3.
第十七页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习115】二次型=的正惯性指数为
.1【解】只有的系数是正的。
第十八页,共五十页,编辑于2023年,星期一定义:设A,B
都是n阶矩阵,若有可逆矩阵
P
满足P−1AP=B,则称矩阵A
和B相似.(P.121定义7)定义:设A,B
都是n阶矩阵,若有可逆矩阵
C
满足CTAC=B,则称矩阵A
和B合同.(P.129定义9)显然,BT=(CTAC)T=CTAT(CT)T=CTAC=B
即若A
为对称阵,则B
也为对称阵.R(B)=R(A).经过可逆变换后,二次型f
的矩阵由A
变为与A
合同的矩阵CTAC,且二次型的秩不变.第十九页,共五十页,编辑于2023年,星期一若二次型f经过可逆变换
x=Cy变为标准形,即问题:对于对称阵A,寻找可逆矩阵C,使CTAC
为对角阵,(把对称阵合同对角化).第二十页,共五十页,编辑于2023年,星期一定义:如果
n阶矩阵A满足ATA=E,即
A−1=AT,则称矩阵A
为正交矩阵,简称正交阵.定理:设
A为n阶对称阵,则必有正交阵P,使得P−1AP
=PTAP=L,其中L
是以A
的n
个特征值为对角元的对角阵(不唯一).(P.124定理7)定理:任给二次型f(x)
=xTAx
(其中A=AT),总存在正交变换
x=Py
,使f
化为标准形
f(Py)=l1
y12+l2
y22+…+ln
yn2
其中l1,l2,…,ln
是f
的矩阵A
的特征值.推论:任给二次型f(x)
=xTAx
(其中A=AT),总存在可逆变换
x=Cz
,使f(Cz)为规范形.第二十一页,共五十页,编辑于2023年,星期一推论:任给二次型f(x)
=xTAx
(其中A=AT),总存在可逆变换
x=Cz
,使f(Cz)为规范形.证明:
f(Py)=l1
y12+l2
y22+…+ln
yn2若R(A)=r,不妨设l1,l2,…,lr
不等于零,lr+1=…=ln=0,令则K
可逆,变换y=Kz把f(Py)化为f(PKz)=(PKz)T
A(PKz)=zTKTPTAPKz=zTKTΛKz其中第二十二页,共五十页,编辑于2023年,星期一【例3】求一个正交变换x=Py
,把二次型f=-2x1x2+2x1x3+2x2x3化为标准形.【解】二次型的矩阵根据P.125例12的结果,有正交阵使得于是正交变换x=Py
把二次型化为标准形f=-2y12+y22+y32第二十三页,共五十页,编辑于2023年,星期一如果要把f
化为规范形,令,即可得f
的规范形:f=-z12+z22+z32第二十四页,共五十页,编辑于2023年,星期一
在以下4个矩阵中,哪些是合同矩阵?哪些是不合同矩阵?【例4】【解】这4个方阵的秩都同为3,因为,A与C的正惯性指数同为1,所以A与C合同。B与D的正惯性指数同为2,所以B与D合同。但A与B不合同,B与C不合同。第二十五页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习116】二次型=经正交变换可化为标准形
.解:用配方法第二十六页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习117】求正交变换,将二次型化为标准形,并指出是否为正定二次型解:二次型的矩阵
由
得的特征值为第二十七页,共五十页,编辑于2023年,星期一对于,由
得特征向量
对于,由
得特征向量
第二十八页,共五十页,编辑于2023年,星期一将单位化,得
令,则为正交矩阵,从而经正交变换,将二次型化为标准形
由于的特征值都大于零,故正定.第二十九页,共五十页,编辑于2023年,星期一§6.2
正定二次型和正定矩阵第三十页,共五十页,编辑于2023年,星期一1.正定矩阵具有对称矩阵A的二次型如果对于任何,都有成立,则称为正定二次型,矩阵A称为正定矩阵。第三十一页,共五十页,编辑于2023年,星期一2.半正定矩阵具有对称矩阵A的二次型如果对于任何,都有成立,则称为半正定二次型,矩阵A称为半正定矩阵。第三十二页,共五十页,编辑于2023年,星期一3.负定矩阵具有对称矩阵A的二次型如果对于任何,都有成立,则称为负定二次型,矩阵A称为负定矩阵。第三十三页,共五十页,编辑于2023年,星期一4.半负定矩阵具有对称矩阵A的二次型如果对于任何,都有成立,则称为半负定二次型,矩阵A称为半负定矩阵。第三十四页,共五十页,编辑于2023年,星期一5.不定二次型其他的实二次型称为不定二次型,其他的实对称阵称为不定矩阵。第三十五页,共五十页,编辑于2023年,星期一以n=3为例。
【例6】(1)正定二次型:对应的矩阵(2)半正定二次型:对应的矩阵(3)负定二次型:对应的矩阵第三十六页,共五十页,编辑于2023年,星期一(4)半负定二次型:对应的矩阵(5)不定二次型:对应的矩阵第三十七页,共五十页,编辑于2023年,星期一
问
是不是正定二次型?【例7】解:因为它对应的对称矩阵中的对角元素,所以它不是正定二次型。第三十八页,共五十页,编辑于2023年,星期一定理:n阶实对称矩阵A=(aij)是正定矩阵A的n个顺序主子式Dk>0,k=1,2,…,n。第三十九页,共五十页,编辑于2023年,星期一判定是不是正定矩阵。【例8】解:因为A的三个顺序主子式:所以,A是正定矩阵。第四十页,共五十页,编辑于2023年,星期一
问为何值时,以下三元二
次为正定二次型:【例9】解:它是标准二次型。它是正定二次型当且仅当它的所有系数都是正数,即得第四十一页,共五十页,编辑于2023年,星期一
问为何值时,以下三元二次为正定二次型:【例10】解:写出对应的对称矩阵得第四十二页,共五十页,编辑于2023年,星期一定理:矩阵为正定矩阵的充分必要条件是.称为的顺序阶主式,即
…第四十三页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习118】设矩阵A=为正定矩阵,则
的取值范围是_____________
.
【解】
第四十四页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习119】设矩阵A=为正定矩阵,则
的取值范围是_____________
.
【解】
第四十五页,共五十页,编辑于2023年,星期一【练习120】已知二次型
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